Program polskiej energetyki jądrowej zakłada, że w 2033 r. zostanie uruchomiony pierwszy blok elektrowni jądrowej o mocy 1-1,6 GW. W tym samym czasie moc wszystkich elektrowni wiatrowych ma przekroczyć 10 GW. Teraz 1239 farm wiatrowych produkuje 7,3 GW.

Efektywność energii jądrowej jest większa niż w przypadku innych metod produkcji prądu. Wynika to z faktu, że maleńkie jądro w centrum atomu zawiera najpotężniejszą moc, jaką kiedykolwiek odkryto. Jej źródłem są własności fizyczne materii opisane słynnym wzorem Alberta Einsteina E=mc2 na równoważność masy (m) i energii (E). To właśnie ubytek masy jądra daje nam energię jądrową, nazywaną też energią atomową.

Szczypta fizyki

Uran jest jednym z najbardziej złożonych atomów pierwiastków. Paliwem używanym najczęściej w elektrowniach jądrowych są związki chemiczne jego rzadkiej odmiany zwanej uranem-235. Występowanie tej odmiany wynosi zaledwie 0,72% wśród innych odmian tego pierwiastka.

Kiedy jądro atomu uranu-235 zostanie uderzone przez neutron, rozpada się i wystrzeliwuje więcej neutronów. Te nowe neutrony uderzają w inne jądra uranu, co powoduje ich rozszczepienie i wydzielanie jeszcze większej liczby neutronów. Proces ten nazywamy reakcją łańcuchową rozszczepienia. Jej zapoczątkowanie wymaga spełnienia koniecznego warunku zgromadzenia określonej ilości uranu-235 w ustalonym obszarze. Masę, przy której rozpoczyna się reakcja rozszczepienia, nazywamy masą krytyczną. Dodatkowym produktem każdego z tych rozpadów jest porcja energii. W ten sposób coraz więcej jąder się rozpada, a wiele atomów jednocześnie oddaje energię i tym samym podnosi temperaturę w swoim otoczeniu.

Jeśli proces nie jest kontrolowany, szybko następuje generowanie tak potężnych ilości energii, że nie można ich już odprowadzić i zużytkować. Reakcja jednak może być kontrolowana, tak aby być użyteczną i zapewnić nam elektryczność.

Reaktor

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym prowadzi się w sposób kontrolowany reakcję rozszczepienia. Do jej utrzymania w ryzach najczęściej służą pręty sterujące. To one ograniczają zakres reakcji, gdyż są wykonane z materiału pochłaniającego neutrony. Przez opuszczanie ich w głąb reaktora i podnoszenie powodujemy zmianę przebiegu reakcji.

Gdy reakcja trwa, paliwo reaktorowe się nagrzewa i potrzebne jest utrzymanie go w zakresie akceptowalnych temperatur. Służy do tego chłodziwo, które jednocześnie umożliwia odprowadzenie energii z reaktora. Może nim być woda, która pod wysokim ciśnieniem przepływa przez reaktor. Gdy gorące chłodziwo opuszcza reaktor, trafia do wymiennika energii cieplnej i wytwarza w nim parę; niekiedy jest on nazywany wytwornicą pary. To ta para, poprzez odpowiedni system rur, jest kierowana na turbiny, które napędzają generatory energii elektrycznej dla domów i fabryk.

Co się jednak stanie, gdy z jakichś względów odbieranie wytworzonej energii cieplnej przez chłodziwo zostanie przerwane? Raz zapoczątkowana reakcja jądrowa nie zatrzymuje się samoistnie. Sytuacja tego rodzaju oznacza początek jednego z najgroźniejszych typów awarii elektrowni jądrowej.

Kultura bezpieczeństwa

Brak możliwości odprowadzenia energii cieplnej z reaktora stanowi standardowy przykład wyzwania, które technika jądrowa musi umieć rozwiązać, aby efektywnie się zabezpieczyć przed jego potencjalnie bardzo groźnymi skutkami.

Sam reaktor, serce każdej elektrowni jądrowej, jest siedliskiem silnej radioaktywności. Musi on być tak skonstruowany, aby radioaktywność – nawet w jak najmniejszym stopniu – nie była zdolna przenikać na zewnątrz. Jednak do reaktora trzeba co jakiś czas dostarczyć świeże paliwo i usunąć zużyte.

Bezpieczny kontakt człowieka z substancjami radioaktywnymi na terenie elektrowni jądrowej nie jest zadaniem zbyt trudnym dla wyszkolonych specjalistów. Wymaga ono jednak przede wszystkim głębokiego zakorzenienia u pracowników elektrowni tzw. kultury bezpieczeństwa i związanych z nią nawyków pracy. Dlatego rekrutacja pracowników obejmuje odpowiednie testy psychologiczne, które wyłaniają osoby z predyspozycjami do pracy w warunkach szczególnej odpowiedzialności.

Celem, do którego zmierzają naukowcy i konstruktorzy, jest zbudowanie reaktora, który będzie samoistnie bezpieczny ze względu na swoją budowę i sposób działania. Katastrofa będzie w nim niemożliwa, gdyż reakcja jądrowa zostanie wygaszona bez interwencji z zewnątrz. Jednym z najciekawszych pomysłów jest reaktor, w którym stosuje się paliwo jądrowe formowane w kule o wielkości piłek tenisowych. Podczas pracy systemu ze względu na podmuch gazowego chłodziwa są one w ciągłym ruchu, jak w maszynie losującej gry liczbowej. Kiedy chłodzenie ustaje, kulki spadają i reaktor traci warunek krytyczności reakcji. Jednak i ta konstrukcja (reaktor PBR) ma swoje wady.

Od mniej więcej 2001 r. reaktory są budowane tak, aby były odporne na atak terrorystyczny z użyciem samolotu.

Elektrownie

Pierwszym krokiem do wejścia w temat energetyki jądrowej jest uświadomienie lub przypomnienie sobie, czym elektrownia jądrowa różni się od elektrowni konwencjonalnej – węglowej czy gazowej. Warto zdać sobie sprawę z tego, że każda elektrownia, zarówno konwencjonalna, jak i jądrowa, budowana jest w tym samym głównym celu. Jest nim zapewnienie w miarę ciągłego – bez dłuższych przestojów – dostarczania do sieci elektroenergetycznej dużej ilości energii elektrycznej.

Moc elektrowni jądrowych wynosi od kilkuset do kilku tysięcy MW. System przepływowy energii cieplnej z samego reaktora, gdzie jest ona wytwarzana, do miejsca jej przemiany w energię elektryczną nie różni się zasadniczo od podobnego systemu w elektrowniach konwencjonalnych. Zasadnicza różnica w konstrukcji obu typów elektrowni tkwi jedynie w sposobie uzyskiwania energii cieplnej. W elektrowni węglowej lub gazowej jest ona uzyskiwana przez spalanie tych paliw. W elektrowni jądrowej źródłem energii jest rozpad jąder pierwiastków promieniotwórczych.

Dlaczego elektrownia jądrowa jest tak ważnym elementem współczesnej energetyki? Odpowiedź jest bardzo prosta. Jedna tona dobrego węgla dostarcza tyle energii, ile co trzecia część grama uranu-235 (ok. 300 mg). Elektrownia jądrowa nie emituje też zanieczyszczeń do atmosfery.

Świat i „Lubiatowo-Kopalino”

Na świecie istnieje ponad 600 działających reaktorów jądrowych. Typów i rodzajów tych urządzeń jest bardzo wiele. Różnią się one rodzajem i składem paliwa, chłodziwem, materiałem służącym do sterowania reakcją, materiałem spowalniającym neutrony oraz setkami rozwiązań konstrukcyjnych. Można powiedzieć, że każdy reaktor jest nieco inny.

Najpopularniejszy z nich, szkicowo opisany na ilustracji, to reaktor ciśnieniowy chłodzony wodą (PWR). I właśnie taki typ reaktora będzie w pierwszej polskiej elektrowni jądrowej. W grudniu ub.r. ogłoszono, że preferowanym miejscem pod jej budowę jest nadmorska gmina Choczewo. Lokalizację nazwano „Lubiatowo-Kopalino”.

Autor jest byłym pracownikiem naukowym Instytutu Badań Jądrowych w Świerku. Przy pisaniu artykułu konsultował się z Andrzejem Banasiem, wieloletnim pracownikiem sektora energetyki jądrowej w Kanadzie.